Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

CURRENT STATE OF THE BIOTA OF ARTIFICIAL FOREST STANDS OF THE KUMERTAU LIGNITE MINE DUMPS (BASHKORTOSTAN)

Safonov M.A. 1 Cherdintsev A.A. 2 Malenkova A.S. 1 Zaynagabdinova Z.I. 2
1 Orenburg state pedagogical University
2 Federal State Educational Government financed Institution of Higher Education «Orenburg State University»
В статье приводятся данные о видовом составе биоты искусственных древесных насаждений на отвалах Кумертауского буроугольного разреза (Башкортостан). Приводятся данные об общем жизненном состоянии древостоев; анализируется видовой состав травянистых растений, произрастающих под пологом этих насаждений, фауна жесткокрылых герпетобионтов, биота древоразрушающих базидиальных грибов. Отмечены отличия в видовом составе сравниваемых компонентов биоты между насаждениями разных типов, между насаждениями, произрастающими в условиях с разным уровнем техногенной нагрузки. Сделан вывод, что в искусственных насаждениях на отвалах происходит формирование своеобразных биотических комплексов, которые по структуре доминантов близки к комплексам других искусственных и естественных древостоев аналогичного состава в Южном Приуралье, но отличаются низким видовым разнообразием вследствие сравнительно малого возраста и специфики средовых условий, определяемых структурой насаждений.
The article presents data on the species composition of the biota of artificial tree stands at the dumps of Kumertau lignite mine (Bashkortostan). Data about common life condition of forest stands is given; the species composition of the herbaceous plants growing under the canopy of these trees, the fauna of gerpetobiontes Coleoptera, biota of wood-destroying basidiomycetes were analyzed. The differences in the species composition of the compared components of biota between plantations of different types, between stands grown in conditions with different level of technogenic load are marked. The conclusion is made that in artificial plantations on dumps is formed a kind of biotic complexes, which structure is particularly close to the complexes of other artificial and natural stands of similar composition in the southern Urals, but have a low species diversity due to the relatively small age and specific environmental conditions determined by the structure of this stands.
recultivation
coal dumps
plantations
assessment of vital status
wood-attacking fungi
Carabidae
Kumertau
Bashkortostan
Southern Preurals
1. Abdullin R.R. Osobennosti formirovanija i razvitija drevostoev v lesodefitcytnykh rajonakh Bashkirskogo Preduralia [Peculiarities of formation and development of forest stands in the least forested areas of Bashkortostan]: author. dis. ... candles. Biol. Sciences. Orenburg: OGPU, 2008. 22 p.
2. Alexeev V.A. Lesnye ekosistemy i atmosphernoe zagriaznenie [Forest ecosystems and atmospheric pollution] / V.A. Alekseev. Leningrad: Nauka. 1990. 197 р.
3. Batalov A.A., Martyanov N.A., Kulagin A.Y., Gruhin O.B. Lasovosstanovlenie na promyshlennykh otvalakh Preduralja i Yudjnogo Urala [Reforestation for industrial dumps of Ural region and southern Urals]. Ufa : BSC Ural branch of AS USSR, 1989. 140 р.
4. Vedernikov C.G. Lesnaja rekultivatcija i optimizatcija tekhnogennykh landshaftov (na primere promyshlennykh otvalov Kumertausskogo burougolnogo razreza) [Forest restoration and optimization of the technological landscape (on the example of industrial dumps of Kumertau lignite section)]. Abstract. Diss. ... candles. Biol. Sciences. Togliatti: Institute of ecology of Volga basin of RAS, 2002. 18 p.
5. Gilyarov M.S. Zoologitscheskii metod diagnostiki pochv [Zoology method of diagnostics of soils] // M.: Nauka, 1965, рр. 1–278.
6. Glazyrina M.A. Osobennosti formirovanija flory I rastitelnosti v uslovijakh otvalov i karierov otkrytykh ugolnykh razrabotok (na primere Tscheliabinskogo burougolnogo basseina) [Peculiarities of the formation of the flora and vegetation in the dumps and quarries and surface coal mining (approx. Celeban. Lignite basseyn)]: Abstract. dis… canles. Biol. Sciences. Ekaterinburg, 2002. 17 р.
7. Dianova E.R., Giniyatullin B.C, Kulagin A.A. Soderganie metallov v drevesnykh rastenijakh, proizrastayutschikh na otvalakh Utschalinskogo gorno-obogatitelnogo kombinata Respubliki Bashkortostan [Metal content in woody plants growing on dumps of Uchalinsky mining and processing plant in the Republic of Bashkortostan] // Bulletin of the Orenburg state University, 2009. no. 6. рp. 118–120.
8. Ermak N.B. Otscenka dziznennogo sostojanija lesnykh nasadgdenii rekultivirovannykh otvalov predprijatii ugledobytschi [Assessment of vital status of forest plantations in the reclaimed areas of dumps coal mining site] / N.B. Ermak, E.C. Rusin, Vestnik of Kemerovo state University. 2010. no. 1. рp. 38–41.
9. Koval A.T., Alexeev A.P. Analiz potschvogruntov Rajtschikhinskogo burougolnogo mestorodgdenija v Amurskoj oblasti I lesnaja rekultivatscija otvalov [Analysis of soils of Raichikhinskoe lignite deposits in the Amur region and forest reclamation of tailings] // Problems of regional ecology. 2008. no. 3. рp. 108–111.
10. Korotkova T.N. Vlijanie ekologitscheskikh faktorov na introduktciyu drevesno-kustarnikovykh vidov v lesnye nasadgdenija na narushenykh gornodobyvayutschej promyshlennostyu territorijakh Donbassa [The impact of environmental factors on the introduction of tree and shrub species in the forest disturbed mining areas of Donbass] // Vestnik of Voronezh state University, Series: Geography, Geoecology. 2011, no. 1. рp. 132–133
11. Kulagin, A.A., Egorova N.N., Bakiyev I.F. Anatomicheskie ososbennosti listovogo apparata drevesnykh lesoobrazuyutschikh vidov v ekstremalnykh lesorastitelnykh uslovijakh na territorii Respubliki Bashkortostan [Anatomical peculiarities of foliage of woody forest species in extreme forest conditions at the territory of Republic of Bashkortostan] // Proceedings of the Ufa scientific center of RAS. 2012. no. 1. рp. 10–14.
12. Kupriyanov A.N. Estestvennoe zarastanie otvalov Kuzbassa [Natural overgrowing dumps of Kuzbass] / A.N. Kupriyanov, J.V. Korsakova // Bulletin of STU. 2006. no. 3. рp. 48–51.
13. Mukhin V.A. Biota ksilotropkhykh bazidiomicetov Zapadno-Sibirskoj Ravniny [Biota of xylotrophic basidiomycetes of the West Siberian plain]. Ekaterinburg: Science, 1993. 232 р.
14. Radosteva E.R., Kulagin A.Y. Soderganie tiadgelykh metallov v sisteme «pochva-sosna» na otvalakh Kumertauskogo burougolnogo razreza [Content of heavy metals in the system «soil pine» on the dumps of Kumertau lignite cut] // Agrarian Bulletin of the Urals. 2011. no. 4. рp. 60–61.
15. Rusakov A.V., Cherdyntsev A.A., Zainigabdinova Z.I. K naseleniyu gerpetobiontnykh dgestkokrylykh (Insecta, Coleoptera) nasadgdenii sosny na otvalakh Kumertauskogo burougolnogo razreza [To the population of terrestrial beetles (Insecta, Coleoptera) of pine plantations at the dumps of Kumertau lignite mine (Bashkortostan)] // Vestnik of the Orenburg state pedagogical University. Electronic scientific journal. 2013. no. 4 (8). рp. 23–26.
16. Safonov M.A. Vidovoj sostav ksilitrofnykh gribov yudgnykh rajoniv Respubliki Bashkortostan [Species composition of xylotrophic fungi of the southern regions of the Republic of Bashkortostan] // Vestnik of the Orenburg state agrarian University. 2010. no. 3 (27). рp. 226–228.
17. Safonov M.A. Derevorazrushaiutschie griby Buzulukskogo bora (Orenburgskaja oblast) [Wood-destroying fungi of the Buzuluk boron (Orenburg oblast)[ // Mycology and Phytopathology. 2002. Vol. 36, no. 6. рp. 23–35.
18. Safonov M.A., Malenkova, A.S. Derevorazrushaiutschie griby iskusstvennykh khvojnykh nasadgdenii v Yudgnom Priuralie [Wood-destroying fungi of artificial coniferous plantations at the Southern Urals] // Vestnik of Orenburg state University. 2011. no. 12 (131). рp. 140–143.
19. Safonov M.A. Ustojchivost gribnykh soobtschestv kak kriterij vydelenija kluchevykh mikologicheskikh territorij [Stability of fungal communities as a criterion of selection of the key mycological territories] // Izvestya of Samara scientific centre of RAS. Samara, 2004. Specvp. Natural heritage of Russia. Part 1. рp. 165–170.
20. Safonov M.A., Malenkova A.S., Rusakov A.V., Leneva E.A. Biota iskusstvennykh lesov Orenburgskoj oblasti [Biota of artificial forests of the Orenburg region]. Orenburg: «University», 2013. 176 p.
21. Safonov M.A., Malenkova A.S., Shamraev A.V., Bajkarova A.A. [Comprehensive assessment of the pine plantations in the Orenburg region] // Vestnik of Orenburg state University no. 10 (159). 2013. рp. 219–223.
22. Safonova T.I., Cherdyntsev A.A., Zainigabdinova Z.I. Derevorazrushaiutschie griby-makromicety nasadgdenij sosny na otvalakh Kumertauskogo burougolnogo razreza [Wood-destroying fungi of pine stands at the dumps of Kumertau lignite mine (Bashkortostan)] // Vestnik of the Orenburg state pedagogical University. Electronic scientific journal. 2013. no. 2 (6). рp. 49–53.
23. Shabalin S.A. Letnee naselenie gerpetobiontnykh dgestkokrylykh (Coleoptera: Carabidae, Silphidae, Scarabaeidae) dolinnykh lesov Srenego Sikhote-Alinia [Summer population of terrestrial beetles (Coleoptera: Carabidae, Silphidae, Scarabaeidae) of lowland forests of the Middle Sikhote-Alin] / S.A. Shabalin, G.Sh. Lafer // Readings memory A.I. Kurentzov. Vol. 21. Vladivostok: Dalnauka, 2010. рp. 71–81.
24. Shennikov A.P. Vvedenie v geobotaniku [Introduction to geobotanica]. Leningrad: Leningrad state University, 1964.

На фоне продолжающегося активного техногенного воздействия особое значение приобретают проблемы восстановления экосистем, в частности вопросы рекультивации отвалов, возникших в результате многолетних разработок полезных ископаемых.

Основным путем рекультивации является создание на отвалах растительных сообществ, которые могли бы трансформировать химический состав и структуру грунтов отвалов с целью формирования квазинатурального почвенного покрова и создания относительно устойчивых антропогенных экосистем в целом [22].

С этой целью во многих регионах России проводятся работы по созданию лесных насаждений на отвалах (в первую очередь – угледобычи) [3, 8, 9]. Вопросы рекультивации отвалов затрагивались при изучении угольных месторождений Кузбасса [8, 12], Донбасса [10]; отвалов Учалинского горно-обогатительного комбината [7]; Челябинского угольного бассейна [6]; отвалов Башкирского медно-серного комбината (г. Сибай), отвалы карьеров Зигазино-Комаровского железорудного месторождения (Туканский, Комаровский, Ерматаевский и Западно-Майгашлинский) [3] и др.

Необходимым условием эффективности рекультивации является использование современных научных подходов и мониторинг формируемых древостоев с разных точек зрения (анатомические, морфологические и экологические адаптации растений к техногенному загрязнению, пути миграции элементов в создаваемых экосистемах и др.) [11, 14]. Для достижения конечной цели рекультивации – восстановления техногенно нарушенного ландшафта – необходимо формирование полнокомпонентных экосистем [4, 19], т.е. имеющих устойчивую флору, фауну, микобиоту. Соответственно для оценки результатов рекультивации необходим контроль не только искусственных древостоев, но и остальных компонентов биоты восстанавливаемых систем [20].

Объектом исследований была биота искусственных лесных экосистем, существующих на отвалах Кумертауского буроугольного разреза (КБР), которые формировались с середины ХХ века и представляют собой грунты с высоким содержанием токсичных компонентов [4]. Проблемы естественного зарастания и рекультивации этих отвалов привлекли внимание исследователей в начале 80-х годов ХХ века – были изучены химизм почвогрунтов, травянистая растительность отвалов, была проведена оценка общего жизненного состояния искусственных насаждений, а также исследованы особенности экологии древесных растений в техногенных условиях [3, 11, 14 и др.].

Целью наших исследований было изучение видового состава и структуры флоры, микобиоты и энтомофауны этих насаждений спустя 30 лет после предыдущих исследований для определения их самобытности в сравнении с аналогичными насаждениями того же породного состава, произрастающими в тех же природных условиях, но на типичных почвах, без выраженного техногенного влияния.

Материалы и методы исследования

Отвалы Кумертауского буроугольного разреза (КБР) (г. Кумертау, республика Башкортостан), которые относятся к району Стерлитамакского промышленного узла (52?45? с.ш. и 55?51? в.д.), характеризуются большой неоднородностью состава отсыпных пород [1]. Техногенные почвогрунты и молодые почвы Кумертауских отвалов бедны азотом, подвижным фосфором и характеризуются сравнительно высоким количеством поглощенных оснований.

На отвалах КБР представлены разнообразные формы рельефа, которые обеспечивают разнообразие условий микроместообитаний, что сказывается на особенностях почвенного и растительного покрова.

Необходимо отметить, что отсыпка отвалов завершена более 30 лет назад и по настоящее время происходит процесс зарастания техногенно-трансформированного ландшафта.

С целью рекультивации отвалов КБР на них проводились опыты по посеву семян ясеня зеленого, клена остролистного, дуба черешчатого; в 1982 году производилась механизированная посадка 2-летних сеянцев сосны, лиственницы, березы; проводились опыты по посадке ив и тополей, облепихи крушиновой и смородины золотистой [3].

Наши исследования охватывали искусственные насаждения березы бородавчатой и сосны обыкновенной на отвалах КБР, а также контрольные искусственные насаждения того же породного состава на г. Уральской, расположенной вблизи г. Кумертау, но отличающейся от отвалов по рельефу и почвенному покрову.

Сбор данных для анализа состояния биоты искусственных насаждений на отвалах КБР производился в разные сезоны 2012–2014 гг. В ходе исследований производилась оценка ОЖС насаждений по В. Алексееву [32], геоботаническое описание пробных площадок и сбор гербария высших растений [24], сбор образцов плодовых тел древоразрушающих базидиальных грибов [13] и отлов жесткокрылых – герпетобионтов при помощи ловушек Барбера [15].

Для исследования были заложены 6 пробных площадей: 3 в посадках сосны на отвалах КБР, 1 – в посадке березы на отвалах КБР, 1 – в посадках сосны на северо-восточном склоне г. Уральская, 1 – в посадке лиственницы на шлейфе склона г. Уральская.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ оценки общего жизненного состояния изученных древостоев показал, что насаждения сосны на отвалах КБР характеризуются пониженной жизненностью, существенной изреженностью, низким бонитетом; ОЖС варьирует от 51,2 до 68,8 %, т.е. может быть охарактеризовано как «ослабленное». ОЖС насаждений сосны с высокой полнотой древостоя на склоне г. Уральская составляет 61,2 %. Для сравнения, ОЖС искусственных насаждений сосны в соседнем Тюльганском районе Оренбургской области достигает 79,5 % [21]. Из этого можно сделать вывод, что загрязнение среды, в частности атмосферного воздуха, оказывает заметное влияние на жизненное состояние древостоев.

В результате изучения флоры травянистых растений под пологом искусственных насаждений было отмечено 19 видов высших растений, относящихся к 19 родам и 13 семействам. Собственно под пологом искусственных насаждений на отвалах КБР было обнаружено 14 видов высших растений, относящихся к 14 родам. На горе Уральской было обнаружено 8 видов, относящихся к 8 родам. При этом несколько большее разнообразие флоры отмечено в насаждениях сосны, а наименьшее – в насаждениях березы.

Анализ сходства видового состава травянистых растений разных изученных насаждений с использованием коэффициента сходства Сёренсена – Чекановского показал существенные отличия между флорой, произрастающей на отвалах КБР, и флорой, сформированной под пологом насаждений на г. Уральская. В обоих случаях флору отмечала крайне малое число видов и низкое проективное покрытие (0–20 %). Возможно, причиной малого видового разнообразия изученной флоры является специфичность почвогрунтов отвалов.

Говоря о формировании антропогенных лесных экосистем, необходимо учитывать степень сформированности и специфичность не только растительного компонента, но и системы редуцентов, обеспечивающей круговорот вещества и энергии в экосистемах. Для определения особенностей этого блока экосистем искусственных насаждений на отвалах КБР нами были проанализированы биота древоразрушающих макромицетов и фауна жесткокрылых герпетобионтов.

Базидиальные древоразрушающие грибы являются частью наиболее многочисленной экологической группы грибов – сапротрофов, играющих ведущую роль в системе редуцентов. Это типичные обитатели лесных экосистем, субстратом для которых является древесина. Они способствуют отпаду старых деревьев и осуществляют деструкцию отмершей древесины, обеспечивая круговорот веществ в экосистемах за счет выработки соответствующих ферментов, способных разлагать лигнин и целлюлозу [13].

В результате проведенных исследований дереворазрушающие грибы были обнаружены лишь в искусственных насаждениях сосны на отвалах КБР и на г. Уральская [22].

В общей сложности на отвалах КБР было обнаружено 8 видов дереворазрушающих грибов, относящихся к 5 родам: Coniophora puteana (Schumach.: Fr.) P. Karst., Gloeoporus taxicola (Pers.: Fr.) Gilb. & Ryv., Hyphodontia aspera (Fr.) J. Erikss., H. crustosa (Pers.: Fr.) J. Erikss., H. paradoxa (Schrad.: Fr.) E. Langer & Vesterholt, H. rimosissima (Peck.) Gilb., Phlebia cornea (Bourdot & Galzin) Parmasto, Trichaptum fuscoviolaceum (Ehrenb.: Fr.) Ryv.. На горе Уральской было обнаружено 12 видов, относящихся к 9 родам.

Для того чтобы объективно оценить выявленное разнообразие, необходимо упомянуть, что ранее в южных районах Республики Башкортостан было отмечено 69 видов ксилотрофных грибов [16]. Из числа упомянутых видов пять являются новыми для региона: Hyphodontia aspera (Fr.) J. Erikss, Hyphodontia crustosa (Pers.: Fr.) J. Erikss, Tubulicrinis hirtellus (Bourdot & Galzin) J. Erikss, Phlebia cornea (Bourdot & Galzin) Parmasto, Hyphodontia rimosissima (Peck.) Gilb.

Низкое видовое разнообразие грибов в одновозрастных насаждениях является вполне закономерным, и большее значение для анализа состояния микобиоты имеет относительная численность видов. Во всех изученных древостоях преобладали Trichaptum fuscoviolaceum, Gloeoporus taxicola и Coniophora puteana. Доминирование этих видов отмечено и в большинстве естественных и искусственных сосняков Южного Приуралья в пределах Оренбургской области [17, 18].

Для оценки относительной сформированности было проведено сравнение видового состава локальных микобиот древостоев сосны, произрастающих на отвалах КБР и у г. Уральская с использованием коэффициента Сёренсена – Чекановского. По видовому составу более близки площадки на КБР, что, вероятно, обусловлено сходными условиями местообитаний.

Выбор в качестве объекта энтомологических исследований герпетобионтных жесткокрылых связан с тем, что данная группа отличается быстротой реакции на изменение почвенно-растительных условий и служит признанным индикатором данных изменений [5]. Они являются удобным объектом для биоиндикационных исследований, поскольку ведут преимущественно оседлый образ жизни, отличаются большим видовым разнообразием, обладают высокой и довольно стабильной численностью, включают группы с широкими экологическими требованиями и характеризуются широкими трофическими связями [23].

В изученных насаждениях был отмечен 21 вид жужелиц, относящихся к 17 родам, 13 подсемействам и 9 семействам. Численно и по видовому разнообразию доминировали жужелицы (Carabidae), лишь в посадке на г. Уральской доминировал Anoplotrupes stercorosus (Hartmann in L.G. Scriba, 1791) из семейства навозников-землероев (Geotrupidae).

Анализ показывает относительную бедность видового состава летнего населения жесткокрылых на всех описываемых площадках. Наибольшее количество видов (10) отмечено в посадке лиственницы у г. Уральская. На остальных площадках зарегистрировано от 2 до 8 видов [15].

Анализ сходства видового состава энтомофауны разных типов насаждений с использованием коэффициента сходства Сёренсена – Чекановского показал существенные различия между этими насаждениями (максимальный показатель – 0,50). Кластерный анализ показал возможность выделения 2 кластеров: посадки сосны на отвалах КБР и посадки сосны и лиственницы на горе Уральской.

Заключение

Полученные нами данные позволяют прийти к заключению, что в искусственных насаждениях на отвалах КБР происходит формирование своеобразных биотических комплексов, которые по структуре доминантов близки к комплексам других искусственных и естественных древостоев аналогичного состава в Южном Приуралье, но отличаются низким видовым разнообразием вследствие сравнительно малого возраста и специфики средовых условий, определяемых структурой насаждений.

Вероятно, на структуру формирующихся сообществ оказывает косвенное влияние и техногенная природа грунтов, на которых произрастают древостои, однако обоснованный вывод по этому поводу можно будет сделать только при условии проведения соответствующих химических анализов биологических объектов и при накоплении большего объёма данных о видовом составе биоты. Можно предположить, что дальнейшее развитие биотических комплексов будет идти в направлении, характерном для сообществ искусственных насаждений прилегающих территорий [20]; при этом будут сохраняться и специфичные черты, обусловленные техногенной нагрузкой на эти экосистемы.

Таким образом, в результате начатых 32 года назад работ по лесной рекультивации отвалов Кумертауского буроугольного разреза вполне сформировалась специфичная фитосреда, о чем свидетельствует своеобразие комплексов видов и их отличие от аналогичных комплексов лесных насаждений иного генезиса. В целом работы по лесной рекультивации можно считать вполне успешными, о чем свидетельствует появление в антропогенных насаждениях специфичных экологических ниш, которые заселяются редкими видами, не обнаруженными на прилегающих территориях.

Рецензенты:

Русанов А.М., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой общей биологии, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург;

Мирошников С.А., д.б.н., профессор, директор ГНУ ВНИИМС, г. Оренбург.

Работа поступила в редакцию 01.10.2014.